Fotowoltaika – co to jest i jak działa?

Fotowoltaika to dziedzina nauki i techniki zajmująca się bezpośrednim wytwarzaniem prądu elektrycznego ze światła słonecznego. Podstawą działania jest efekt fotowoltaiczny – padające na krzemowe ogniwo fotony wzbudzają elektrony, a ich ruch pomiędzy elektrodami generuje prąd stały. Ogniwa krzemowe łączy się w moduły (panele fotowoltaiczne), które instaluje się na dachach budynków lub na gruncie. Uzyskany prąd stały trafia do falownika (inwertera), który przekształca go w prąd zmienny AC o parametrach zgodnych z siecią domową. Dzięki temu energia ze słońca może na bieżąco zasilać domowe urządzenia, a ewentualne nadwyżki można odprowadzać do sieci energetycznej. Fotowoltaika różni się od kolektorów słonecznych tym, że panele PV wytwarzają prąd elektryczny, a nie ciepło.

Historia fotowoltaiki

Pierwsze obserwacje zjawiska fotowoltaicznego pochodzą z połowy XIX wieku. W 1839 r. francuski fizyk Alexandre‐Edmond Becquerel odkrył, że pod wpływem światła słonecznego wytwarza się siła elektromotoryczna w półprzewodniku – to właśnie początek technologii fotowoltaicznej. Na początku XX w. dokonano pierwszych prób budowy „słonecznych baterii” – już w 1905 r. w Kanadzie George Cove zaprezentował działający model generatora słonecznego, choć nie został on skomercjalizowany.

Przełom nastąpił w połowie w latach 50. XX wieku kiedy oddział badawczy Bell Labs, należący do fińskiej firmy Nokia, opracował pierwsze nowoczesne ogniwa krzemowe, co dało początek współczesnym panelom fotowoltaicznym. W 1954 r. satelita Vanguard I w kosmosie był zasilany jednym z takich ogniw.

Rozwój fotowoltaiki

Od tamtego czasu technologia zaczęła się dynamicznie rozwijać. W 1982 r. uruchomiono pierwszą naziemną farmę fotowoltaiczną w Europie, działającą nieprzerwanie przez ponad 35 lat. Instalacja została uruchomiona w Lugano w Szwajcarii. W 1989 r. Niemcy uruchomiły program wsparcia prosumentów (właścicieli małych instalacji PV), a w 2015 r. w Polsce wprowadzono regulacje prawne umożliwiające przyłączenie mikroinstalacji do 40 kW do sieci bez dodatkowych pozwoleń (obecnie po nowelizacji ustawy jest to 150 kW). Dzięki rosnącej dostępności i finansowaniu (m.in. programy dotacyjne) liczba instalacji fotowoltaicznych na świecie szybko rośnie – według danych w zeszłym roku osiągnięto rekord wynoszący 597 GW całkowitej mocy nowo zainstalowanych PV w 2024 r.

Serce fotowoltaiki – ogniwa i panele fotowoltaiczne

Panele fotowoltaiczne składają się z wielu połączonych ze sobą ogniw słonecznych. Typowy panel zawiera na ogół 60 lub 72 ogniwa wykonane z półprzewodnikowego krzemu. Najpopularniejsze są ogniwa krzemowe I generacji: monokrystaliczne (wykonane z jednego kryształu krzemu) – mają największą sprawność i długą żywotność, lecz są droższe i mają charakterystyczny czarny kolor; oraz polikrystaliczne (wytwarzane z płytek krzemowych o nieregularnej strukturze) – tańsze w produkcji, o niższej sprawności (ok. 15–18%) i zazwyczaj niebieskim zabarwieniu.

Metoda Czochralskiego

Metoda opracowana w 1916 roku przez polskiego chemika Jana Czochralskiego to jedna z najważniejszych technik stosowanych w przemyśle fotowoltaicznym. Polega ona na powolnym wyciąganiu kryształu z roztopionego krzemu, co pozwala uzyskać monokrystaliczne bloki o bardzo wysokiej czystości i jednolitej strukturze. Z tak przygotowanego materiału produkuje się wafle krzemowe, które stanowią podstawę nowoczesnych ogniw fotowoltaicznych. Dzięki tej metodzie możliwy stał się dynamiczny rozwój technologii paneli PV oraz elektroniki na całym świecie.

Pozostałe ogniwa fotowoltaiczne

Istnieją też ogniwa II generacji – cienkowarstwowe. Wykonuje się je z materiałów takich jak tellurek kadmu, amorficzny krzem czy mieszanki CIGS (miedź‑ind‑gal‑selen). Dzięki bardzo cienkiej warstwie (kilka mikrometrów) są znacznie tańsze niż krzemowe ogniwa krystaliczne, a ponadto mogą być elastyczne i stosowane w nietypowych formach (np. wbudowane w powierzchnie). Badania nad III generacją ogniw trwają (barwnikowych, perowskitowych itp.), ale nie są skomercjalizowane – obecnie zbyt drogie i mało wydajne.

W warunkach optymalnego nasłonecznienia pojedynczy panel o mocy ok. 1 kWp (kilowatopiku) może generować 350–400 W mocy elektrycznej. Całkowita produkcja zależy od natężenia światła, kąta padania promieni słonecznych oraz charakterystyki panelu. Dzięki brakowi ruchomych części panele PV są niemal bezobsługowe – przez wiele lat wymagają jedynie okresowych przeglądów technicznych oraz czyszczenia, jeśli pojawi się taka potrzeba.

Konstrukcje fotowoltaiczne

Konstrukcje pod panele fotowoltaiczne (konstrukcje PV) to specjalne stelaże i mocowania służące do montażu paneli słonecznych. Stanowią one solidną podstawę instalacji – utrzymują panele w odpowiednim ustawieniu (kącie nachylenia i orientacji) oraz zapewniają wytrzymałość na obciążenia wiatrem i śniegiem. Dobór konstrukcji zależy od miejsca montażu i warunków lokalnych (rodzaj dachu, nośność gruntu, strefy wiatrowe i śniegowe). Dlatego często projektuje się je indywidualnie pod konkretne potrzeby lokalizacji. Rodzaje konstrukcji montażowych można podzielić według miejsca instalacji.

Dachy płaskie

Na dachach bez spadku panele zwykle montuje się na konstrukcjach ukośnych tzw. ekierkach (aby ustawić panele pod optymalnym kątem). Materiały do konstrukcji płaskich to najczęściej stal konstrukcyjna, stal nierdzewna i aluminium. Istnieją trzy sposoby mocowania: balastowy (nieinwazyjny) – konstrukcję obciąża się betonowymi blokami, przykręcanie (inwazyjny) – z użyciem śrub dwugwintowych oraz zgrzewanie (inwazyjny) – czyli termiczne łączenie stopy zgrzewanej z poszyciem dachu (np. papą).

Konstrukcje gruntowe

wykorzystywane na otwartych terenach (pola, łąki, nieużytki). Instalacje gruntowe dzielimy zwykle na wolnostojące (farmy fotowoltaiczne) i mikro-instalacje np. przydomowe. Wolnostojące konstrukcje składają się z metalowych słupów wbitych w ziemię, wbetonowanych w grunt lub betonowanych w blokach ponad powierzchnią ziemi. Wybór między tymi rozwiązaniami zależy od warunków terenowych, nośności podłoża oraz wielkości instalacji.

Systemy fasadowe

To rozwiązania umożliwiające montaż paneli fotowoltaicznych bezpośrednio na elewacjach budynków. Dzięki nim możliwe jest połączenie funkcji estetycznych z produkcją energii – moduły pełnią rolę nowoczesnej fasady, a jednocześnie generują prąd ze słońca. Systemy fasadowe projektowane są tak, aby zapewniały trwałość, bezpieczeństwo oraz odpowiednią wentylację ścian. Stosuje się je zarówno w nowych inwestycjach, jak i przy modernizacjach, co pozwala zwiększyć efektywność energetyczną budynków i nadać im nowoczesny wygląd.

Carport fotowoltaiczny

Carport to zadaszenie miejsca parkingowego z panelami słonecznymi. Ten rodzaj konstrukcji pełni funkcję wiaty garażowej pokrytej panelami, co pozwala jednocześnie chronić samochody i generować energię elektryczną ze słońca. Systemy carport oparte są na solidnej konstrukcji stalowej zintegrowanej z istniejącą przestrzenią parkingową. Dzięki temu można efektywnie wykorzystać tereny wokół budynków produkcyjnych, biurowców i hal magazynowych bez zajmowania dodatkowej powierzchni, a jednocześnie zwiększyć produkcję własnej energii.

Agrowoltaika

W ostatnim czasie coraz bardziej popularne stają się systemy agrowoltaiczne, które podobnie jak w przypadku carportów służą nie tylko do produkcji energii, ale mają też dodatkowe funkcje. Połączenie rolnictwa i fotowoltaiki daje nowy wymiar nowoczesnym uprawom na miarę XXI w. Dwoma najczęstszymi rozwiązaniami fotowoltaicznymi wykorzystywanymi przez rolników i hodowców są specjalne zadaszenia o orientacji wschód-zachód, które w umiarkowany sposób zacieniają rośliny oraz dają możliwości swobodnego poruszania się wokół nich. Drugim zaś są tzw. zagrody fotowoltaiczne, które będą szczególnie przydatne dla hodowców, stanowiąc stałą barierę dla zwierząt hodowlanych oraz generując czystą energię ze słońca.

Dachy skośne

Na dachach budynków montuje się profile i uchwyty dostosowane do rodzaju pokrycia (blacha trapezowa, dachówka ceramiczna, blachodachówka itp.). Producenci oferują gotowe systemy na dachy skośne, które pasują do różnych pokryć, zapewniając trwałe zamocowanie modułów. Systemy te umożliwiają mocowanie paneli bez naruszania konstrukcji dachu oraz zabezpieczają pokrycie dachowe przed przeciekami (np. stosując uszczelnienia i złączki).

Czy fotowoltaika się opłaca?

Fotowoltaika ma wiele zalet, zwłaszcza w kontekście gospodarstw domowych i przedsiębiorstw. Do głównych korzyści należą m.in.:

• Niższe rachunki i niezależność energetyczna: własna instalacja PV pozwala produkować znaczną część potrzebnej energii na miejscu, co obniża koszty zakupionego prądu. Dzięki temu wzrost cen energii nie wpływa bezpośrednio na wysokość rachunków – im większy stopień autokonsumpcji (własnego zużycia produkowanej energii), tym większe oszczędności. Systemy rozliczeń (opusty, net-billing) pozwalają dodatkowo magazynować lub sprzedawać nadwyżki, zwiększając ekonomię inwestycji.
  
• Przyjazność dla środowiska: energia ze słońca jest w 100% odnawialna i czysta. Panele fotowoltaiczne w trakcie pracy nie emitują żadnych spalin, tlenków azotów, dwutlenku węgla CO₂, czy innych toksycznych substancji – wytwarzają prąd dzięki światłu słonecznemu. Dzięki temu elektrownie fotowoltaiczne znacząco zmniejszają ślad węglowy i nie degradują jakości powietrza – nie generują pyłów, chemicznego zanieczyszczenia ani hałasu w przeciwieństwie do wielu tradycyjnych źródeł energii.
  
• Odnawialność źródła: podstawowym „paliwem” jest słońce – czyli niewyczerpywalne źródło energii i powszechnie dostępne. Instalacje fotowoltaiczne mogą pracować wszędzie tam, gdzie dociera promieniowanie słoneczne. Dzięki temu zapewniają dostęp do darmowej energii przez większość roku. Panelom nie grozi „wypalanie” zasobów surowcowych w trakcie pracy, co wyróżnia je spośród źródeł nieodnawialnych – zabezpiecza to ciągłość i niezależność produkcji.
  
• Trwałość i małe wymagania serwisowe: panele PV działają zazwyczaj 25 – 30 lat, zachowując wysoką sprawność przez długi czas. Producenci często dają 25-letnie gwarancje, a spadek mocy do końca gwarancji zwykle nie przekracza 20%. Instalacja nie wymaga ciągłej obsługi – potrzebne są jedynie okresowe przeglądy i czyszczenie paneli, co generuje niewielkie koszty eksploatacji.
  
• Zwiększanie wartości nieruchomości: budynki wyposażone w instalacje PV stają się bardziej atrakcyjne na rynku – instalacja podnosi wartość nieruchomości i może zwracać się przez wiele lat. Wartość ta wynika zarówno z niższych kosztów eksploatacji, jak i postrzegania takiego obiektu jako bardziej nowoczesnego, „zielonego” i niezależnego.

Fotowoltaika to ekologiczna i ekonomiczna technologia

Fotowoltaika przekształca darmowe promieniowanie słoneczne w prąd elektryczny bez emisji szkodliwych substancji. Umożliwia wykorzystanie odnawialnej energii do zasilania domów i firm, zmniejsza uzależnienie od konwencjonalnych źródeł i rosnących cen energii, a przy tym jest coraz bardziej opłacalna dzięki spadkom cen paneli i wsparciu finansowemu. Dzięki tym cechom fotowoltaika zdobywa popularność na całym świecie i odgrywa kluczową rolę w transformacji w kierunku czystszej energetyki.